CN108791276A - 一种轮胎侧向力线性/非线性工作状态快速判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎侧向力线性/非线性工作状态快速判断方法，基于ESP系统现有传感器，通过检测方向盘转角、车辆行驶车速、车辆侧向加速度、横摆角速度等信号，快速判断轮胎侧向力是否进入非线性工作状态，为通过主动转向进行车辆稳定性应急控制的控制系统提供介入判据。该方法包括：测量横摆角速度、侧向加速度、车辆行驶车速、方向盘转角；估计路面附着系数；计算轮胎侧向力线性/非线性临界点对应的车轮转角；快速判断轮胎侧向力是否进入非线性区域；快速判断主动前轮转向是否介入。

Description

一种轮胎侧向力线性/非线性工作状态快速判断方法

技术领域

本发明涉及汽车稳定性控制领域，特别是应急工况下，通过叠加转角形式的主动前轮转向控制。

背景技术

作为一种紧急控制技术，主动前轮转向在驾驶员转向输入的基础上，以叠加转角的方式调整轮胎侧向力，进而提高车辆的操纵稳定性。目前，该技术已经在宝马5系等车辆上成功应用，成为继ESP后又一有效的稳定性调控技术。

然而，值得注意的是，主动前轮转向作为一种紧急情况下的稳定性控制技术，其介入的时机将影响控制技术的性能表现。具体而言，若主动转向过早介入，此时车辆稳定裕度大，主动叠加转角反而可能导致与驾驶员驾驶意图相冲突，引起驾驶员不适；若主动转向介入过晚，则将牺牲车辆稳定性控制效果，难以确保车辆的稳定安全性。与此同时，已有研究表明，ESP等纵向力稳定性控制方法的横摆力矩调节范围比主动转向宽，因而，成熟的ESP稳定性介入准则并不适合主动前轮转向，无法将其直接移植于主动前轮转向控制。

图3所示轮胎的“侧向力-侧偏角”曲线显示，OA段轮胎侧向力与侧偏角呈现线性关系，在该区间，侧偏角增大可使侧向力快速增加，车辆的稳定性好；AB段为非线性区间，尽管增大轮胎侧偏角可以提高轮胎侧向力，但显然侧向力增加速度变缓，且在B点达到饱和，侧向力的增大将以大幅增加轮胎侧偏角为代价；B点往后，通过侧偏角调节已经无法提升轮胎侧向力。由此可知，通过侧向力调节的主动前轮转向稳定性控制，应在轮胎侧向力进入非线性区域时及时介入。此外，轮胎侧向力的线性/非线性区域及线性侧偏刚度等均受路面附着系数影响，发展考虑路面附着情况的轮胎线性/非线性域判断方法将极有必要，且极具意义。

发明内容

本发明提出了一种轮胎侧向力线性/非线性工作状态快速判断方法，且如图2所示，在快速判断轮胎侧向力工作状态后可为主动前轮转向的稳定性控制介入提供依据。如图1和图2所示，本发明提出的判断方法包括步骤：

(a)确认车辆是否转向；

(b)若进行转向，利用ESP已有的方向盘转角传感器2、横摆角速度传感器3、侧向加速度传感器4、车速传感器1_fr,1_fl,1_rl,1_rr，实时测量方向盘转角δ_f、车辆横摆角速度r、侧向加速度a_y和车速v_x信号；

(c)用实验法或理论近似法确定C_μ1；

(d)以方向盘转角和车速信号为输入，以车辆横摆角速度r、侧向加速度a_y为量测输出，通过状态观测器实时估计路面附着系数μ；

(e)根据本发明提出的方法，计算δ_{f_cp}；

(f)比较δ_{f_cp}与δ_f/i，i为车辆转向系统角传动比；

(g)根据比较结果，做出轮胎侧向力线性/非线性工作状态判断；

本发明中，C_μ1只需一次确认，无需重复标定。本发明基于ESP已有传感器，无需增加传感器配置，具有方法简单，判断准确等特点。

附图说明

图1为本发明提出的轮胎侧向力线性/非线性工作状态判断方法的步骤流程图；

图2为本发明提出的轮胎侧向力线性/非线性工作状态判断方法的原理图；

1_fl,1_fr,1_rl,1_rr-车轮转速传感器；2-方向盘转角传感器；3-横摆角速度传感器；4-侧向加速度传感器；5-本发明的算法器；6-主动前轮转向系统；7-主动前轮转向电机

图3为轮胎侧向力-轮胎侧偏角曲线图；

图4为阿克曼转向示意图；

图5为采用理论近似法确定C_μ1

图6为路面附着系数0.6时的“轮胎侧向力-轮胎侧偏角-车轮转角”曲线，用于验证理论近似法确定C_μ1的准确性；

图7为路面附着系数1时的“轮胎侧向力-轮胎侧偏角-车轮转角”曲线，用于验证理论近似法确定C_μ1的准确性；

具体实施方式

本发明提出了一种考虑路面附着系数的轮胎侧向力线性/非线性工作状态快速判断方法,可为主动前轮转向的稳定性控制提供介入依据。

如图2所示，本发明所涉及的轮胎侧向力线性/非线性工作状态判断方法可利用ESP现有的传感器，包括方向盘转角传感器2、横摆角速度传感器3，侧向加速度传感器4和车速传感器1_fr,1_fl,1_rl,1_rr。

图4所示为车辆阿克曼转向原理，满足关系：

L＝Rsin(δ_f/i) (1)

其中L为车辆轴距，i为转向系统角传动比，两参数由车辆自身结构决定，可直接测量得到；δ_f为方向盘转角，可由方向盘转角传感器获取；R为转向半径。当车轮转角不大时，可视：

L＝Rδ_f/i (2)

转向过程中，轮胎的侧向力由离心力和路面作用力共同决定，在轮胎侧向力达到饱和之前，两者始终相等。假设车辆行驶在路面附着系数固定的道路上，则轮胎是否到达非线性区域将取决于离心力，因此，在轮胎侧向力刚好进入非线性域时刻，满足：

mv_x ²＝RC (3)

其中v_x为车辆纵向行驶速度，C为常数。设轮胎侧向力刚好进入非线性域时刻，车轮转角为δ_{f_cp}，结合阿克曼转向公式，可以得到：

v_x ²δ_{f_cp}＝C₁ (4)

其中C₁＝LC/m。

资料表明，轮胎的线性侧偏刚度与路面附着系数成正比，而在轮胎侧向力线性区间，轮胎侧向力等于线性侧偏刚度乘轮胎侧偏角，由此可知，线性区间的轮胎侧向力也将与路面附着系数成正比。考虑到轮胎的侧向力受路面附着系数影响，公式(4)可修正为：

v_x ²δ_{f_cp}＝C_μ1μ (5)

其中μ为路面附着系数；C_μ1为常数，等于路面附着系数为1时的v_x ²δ_{f_cp}值。

公式(5)为本发明提出的轮胎侧向力线性/非线性工作状态判断公式，即：公式(5)可计算对应某路面附着系数及某车辆行驶车速时，轮胎侧向力刚好进入非线性域时刻的车轮转角为δ_{f_cp}；当δ_{f_cp}大于等于车轮的实际转向角δ_f/i，可以判断轮胎处于非线性域；反之，当δ_{f_cp}小于车轮的实际转向角δ_f/i时，轮胎处于线性域。

通过公式(5)判断轮胎侧向力是否到达非线性状态，需要实时获取路面附着系数μ并计算δ_{f_cp}值。其中，路面附着系数μ可通过诸如卡尔曼滤波等状态观测器进行实时估计，即以方向盘转角δ_f和车速信号v_x为输入，以车辆横摆角速度r、侧向加速度a_y为量测输出，通过状态观测器实时估计路面附着系数μ；C_μ1可通过以下两种办法获取：

C_μ1的获取办法：1、理论近似法

参考车辆线性二自由度理想模型，稳态转向时车辆的横摆角速度满足：

其中r为车辆横摆角速度，a和b分别为质心至前轴、后轴的距离，k_f和k_r分别为前轮和后轮的轮胎线性侧偏刚度。

当轮胎侧向力在线性域时，可视K趋于0，因此，可以认为轮胎侧向力位于线性域时，满足：

公式(7)显示此时横摆角速度与车轮转角为线性关系，故根据r和车轮转角δ_f/i是否满足线性关系也可以近似判断轮胎侧向力是否处于线性域内。具体可以采用方向盘正弦输入工况进行近似获取，即设置仿真模型μ＝1,v_x＝V m/s,δ_f＝Asin(Bπt)，其中V、A和B可以根据需要进行调整，得到图5所示“横摆角速度-车轮转角”关系曲线，根据该曲线的特征情况，得到线性/非线性区域临界点对应的δ_fcp0值(图5中两条竖线对应的横坐标值)。此时C_μ1＝V²δ_fcp0。

理论近似法的有效性通过图6和图7所示工况进行检验，即车辆以60km/h行驶在路面附着系数分别为0.6和1的道路上，绿色所示为本发明提出的公式(5)确定的轮胎力线性区域，从中可以看出，该标示区域能比较准确地示出轮胎侧向力的线性区域，说明此近似方法准确有效。

C_μ1的获取办法：2、实验法

通过实验测试、分析获取C_μ1，具体方法为：汽车以速度V m/s匀速行驶，对车辆进行方向盘斜坡转角输入，通过方向盘转角传感器记录“方向盘转向角δ_f-时间t”曲线，通过轮胎六分力仪记录“轮胎侧向力F_y-时间t”曲线，以横摆角速度r及侧向加速度a_y为量测输出，采用状态观测方法估计轮胎侧偏角α，最终得到“轮胎侧向力F_y-轮胎侧偏角α”曲线。根据该曲线找到轮胎侧向力的线性/非线性临界时刻点t₀，然后根据“方向盘转角δ_f-时间t”曲线找到临界时刻点t₀对应的方向盘转角值δ_f0，此值处于转向系角传动比i，即为线性/非线性区域临界点对应的方向盘转角，最终确定C_μ1＝V²δ_f0/i。

Claims (3)

1.一种轮胎侧向力线性/非线性工作状态快速判断方法，其特征在于，包含步骤：

(a)确认车辆是否转向；

(b)若进行转向，利用ESP已有的方向盘转角传感器2、横摆角速度传感器3、侧向加速度传感器4、车速传感器1_fl,1_fr,1_rl,1_rr，实时测量方向盘转角δ_f、车辆横摆角速度r、侧向加速度a_y和车速v_x信号；

(c)用实验法或理论近似法确定C_μ1；

(d)以方向盘转角和车速信号为输入，以车辆横摆角速度、侧向加速度为量测输出，通过状态观测器实时估计路面附着系数μ；

(e)根据本发明提出的方法，计算δ_{f_cp}；

(f)比较δ_{f_cp}与δ_f/i，i为车辆转向系统角传动比；

(g)根据比较结果，做出轮胎侧向力线性/非线性工作状态判断。

2.根据权利1所述的方法，其特征在于利用ESP现有的传感器配置，即可实现轮胎侧向力线性/非线性工作状态的快速判断。

3.根据权利1所述的方法，其特征在于基于ESP已有的传感器，快速判断轮胎侧向力的工作状态后，为主动前轮转向等通过侧向力调节控制车辆稳定性的控制系统介入提供依据。